(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス・クロマトグラフ（ＧＣ）カラム・アセンブリであって、ＧＣカラム分析部材と、該ＧＣカラム分析部材の外部表面の周りに巻き付けられた第１絶縁層と、前記ＧＣカラム部材から隣接するように位置させられた加熱ワイヤとを含むＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項２】
前記ＧＣカラム分析部材および前記加熱ワイヤの組合せを電気絶縁する手段を含む、請求項１に記載のＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項３】
前記加熱ワイヤの外部表面の周りに巻き付けられた第２絶縁層を含む、請求項１または２に記載のＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項４】
前記ＧＣカラム分析部材と前記加熱ワイヤの組合せを電気絶縁する前記手段の外表面に接触して位置する温度感知ワイヤを含む、請求項２または３に記載のＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項５】
前記第２絶縁層の外部表面の周りに位置する温度感知ワイヤを含む、請求項２ないし４に記載のＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項６】
前記第１絶縁層の外部表面に接触して位置する温度感知ワイヤを含む、請求項２ないし５に記載のＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項７】
前記ＧＣカラム分析部材の外部表面に接触して位置する温度感知ワイヤを含む、請求項１に記載のＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項８】
前記ＧＣカラム分析部材が金属組成物で形成される、請求項１ないし７に記載のＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項９】
前記ＧＣカラム分析部材が石英組成物で形成される、請求項１ないし７に記載のＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項１０】
前記加熱ワイヤがその中にＧＣ分析物を保持するのに適する管状部材であり、前記管状部材が前記ＧＣカラム分析部材中に同心に配置されている、請求項１に記載のＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項１１】
前記第１絶縁層がセラミック・ファイバ組成物で形成されている、請求項１ないし１０に記載のＧＣカラム・アセンブリ。
【請求項１２】
細長いガス・クロマトグラフ（ＧＣ）分析カラム部材（４０）の表面に層を付着させる装置であって、
開口（１５）を有する支持部材（５）と、
前記支持部材（５）に結合された、前記支持部材（５）を回転軸線の周りで回転移動させるための駆動手段（２０、２５、３０）と、
少なくとも１つのほぼ連続したファイバを分配するための、少なくとも１つの分配手段（３５、３６）と、
前記支持部材（５）に取り付けられた、前記回転軸線から所定の第１半径方向距離において前記少なくとも１つの分配手段（３５、３６）を前記支持部材（５）に結合する手段（４５、４６）と、
前記細長いガス・クロマトグラフ（ＧＣ）分析カラム部材（４０）を、前記開口（１５）を通して軸方向に沿って供給リール（８５）から巻取りリール（７５）へ移動させる手段（８０）とを含み、
前記細長いＧＣ分析カラム部材（４０）が、前記回転軸線から前記所定の第１半径方向距離よりも短い所定の第２半径方向距離に配置され、前記少なくとも１つのほぼ連続したファイバの分配端部（５０、５５）が、前記ＧＣ分析カラム部材（４０）の表面の周りに少なくとも部分的に巻き付けられており、
前記少なくとも１つの分配手段（３５、３６）が、前記支持部材（５）と前記少なくとも１つの分配手段（３５、３６）との前記細長いＧＣ分析カラム部材（４０）の周りでの前記回転移動に応答して、前記少なくとも１つのほぼ連続したファイバを分配する、装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス・クロマトグラフィ（ＧＣ）の分野に関し、より詳細にはガス・クロマトグラフ計器で使用するための電気絶縁ガス・クロマトグラフ構成要素を製造するための装置および方法に関する。
【０００２】
本発明はさらに、複数の電気絶縁ガス・クロマトグラフ構成部材をガス・クロマトグラフ・アセンブリに統合することを対象とする。本発明に従って製造されるガス・クロマトグラフ・アセンブリが、非常に高い温度で動作する小型化された低熱量ガス・クロマトグラフ計器に適用されることは特に重要である。
【０００３】
【従来の技術】
公知の従来の技術では、小型加熱エレメントのＧＣカラムとの統合は、小型化された低熱量の温度プログラム式ＧＣ計器を達成するための最も成功した手法であることが証明されている。この手法は、抵抗加熱式金属被覆カラム、抵抗加熱式金属壁カラム、小型加熱板、内部加熱ワイヤ、外部加熱ワイヤ、抵抗加熱式管ジャケット、およびシース内のカラムを有する抵抗加熱式エレメントを含む。
【０００４】
加熱器としてカラム壁を使用することを含む、カラムの長さに延びる抵抗加熱式エレメントでは、抵抗加熱式エレメントまたは構成部材と加熱エレメントの全長に沿ったＧＣアセンブリにおけるその他の導電性構成要素との間の電気短絡の発生を防止するために、特別の注意を払わなければならない。このような構成部材は例えば１５〜３０メートル程度以上と非常に長いため、これらの構成部材をＧＣ計器中に配備するためにアセンブリとして実装しコイル状に巻くとき、電気短絡は常に問題となる。一般的に従来の技術では、ワイヤ構成部材は、このような電気短絡を防止するために、この上に被覆またはその他の方法で形成されたエナメルまたはその他のポリマー電気絶縁層を備えている。例えば、従来の技術によるシステムにはポリイミドなどの高温ポリマーの被覆を備えるものもある。
【０００５】
ＧＣカラム・アセンブリにおける電気短絡形成という上記の問題は、フィードバック温度調整のためにアセンブリ内の温度を感知するためにアセンブリに結合される追加の金属エレメントを中に含めることによって悪化する。
【０００６】
加熱エレメント自体を温度感知エレメントとして使用することは可能であるが、加熱エレメントが例えば摂氏１度（℃）当り４００ｐｐｍ程度の非常に小さな抵抗の変化を感知しなければならず、同時にエレメントが加熱器として機能するために十分に小さな抵抗を導入するので、実用的ではないことが証明されている。こうして、温度によるほぼ線形の再現性のある抵抗変化をもたらす白金などの高抵抗ワイヤの形をとることのできるアセンブリ中に、追加の温度センサを設けることが標準の慣行である。この追加の感知ワイヤまたは抵抗温度装置（ＲＴＤ）を加熱エレメントまたはワイヤと共に同じ場所に配置すると、ＲＴＤワイヤはカラムの長さに沿って温度を積分し平均するので、ある点では適切な解決法をもたらすが、ＲＴＤワイヤを加熱エレメントまたはワイヤに近付けて置くと、その結果、これらのエレメントの間で電気短絡形成がさらに生じ、これに対応して温度調整プロセスが失敗することが多い。
【０００７】
電気短絡形成の問題は、毛管ＧＣ分析カラムが現在動作している標準温度プログラム範囲の上限で特に深刻である。２５０〜３００℃の範囲の典型的な温度が有効なＧＣ分析に必要で、さらに、新しいカラムは性能拡張のために、さらに高い４００℃を超える温度での動作をも提供する。１００℃〜２００℃の間で軟化するほとんどのワイヤ絶縁物は、電気短絡の形成から防止が不十分である。さらに、「高温」エナメル絶縁物のみが２５０℃で安定であるが、この絶縁物は２５０℃を超えると長い寿命は提供せず、したがってＧＣアセンブリにおける温度要件を満たさない。
【０００８】
毛管カラムのより高い動作温度におけるこれらの様々な絶縁物の絶縁破壊は、加熱エレメントまたはワイヤの表面において必要な局部温度が必要な平均ＧＣ構成要素の動作温度を一般的に大幅に超えると、加熱エレメントまたはワイヤがＧＣアセンブリにおける他の構成要素および空気と接触することによって、大きな伝導損および対流損が発生するので、さらに激しくなる。言い換えると、加熱ワイヤは、ＧＣアセンブリの平均必要動作温度よりもはるかに高い温度で動作するのが一般的である。カラムと他の構成要素の平均温度を所定の目標温度に上昇させるために要する電力を加熱ワイヤが放散している、アセンブリの温度プログラミング段階には、特にそうである。ワイヤ絶縁の完全性を保存するために、加熱ワイヤは周囲の構成要素よりも「高温で」動作するので、従来の技術のＧＣアセンブリのプログラミングの最高平均温度を、ワイヤ絶縁の完全性が損傷または破壊され始める温度よりもかなり低いレベルに設定しなければならない。ＧＣアセンブリの速い温度プログラミングは、他のＧＣ構成要素を急速に加熱しようとする中で加熱ワイヤ上の絶縁物が容易かつ急速に破壊されるので、この問題をさらに悪化させる。例えば、エナメル絶縁加熱器とＲＴＤワイヤとの間の電気短絡は、これらのアセンブリが導入されて以来、従来の技術の管状ジャケット付きＧＣアセンブリにおける周知の問題となっている。典型的なＲＴＤ制御回路では、加熱器とセンサ・ワイヤとの間の電気短絡は、加熱状態の暴走を招く可能性がある。
【０００９】
金属加熱ワイヤとＲＴＤセンサ・ワイヤの両方をＧＣアセンブリ中に含めることに加えて、現在のもう１つの傾向は、金属組成物製の毛管ＧＣカラムを含めることである。これらの金属または鋼製毛管カラムは融解石英毛管ＧＣカラムに固有の頑丈さを上回る頑丈さを示し、したがってこのような頑丈なカラムは、野外用の携帯式ＧＣ計器などの耐久性を高めた計器における使用にとって特に関心が深いものである。
【００１０】
加熱ワイヤとＲＴＤワイヤとの間の電気短絡に関連する上述の問題のために、最高動作温度と温度プログラミング速度が電気絶縁層の完全性を保護するのに十分に低く保たれない限り、鋼製毛管ＧＣカラムをワイヤ加熱ＧＣアセンブリ中に導入することは、これまでは実用的でないか、または実際に薦められるものではなかった。このような限られた保守的な動作状況においても、典型的なポリイミド・ワイヤ絶縁被覆は想定される「厚い」被覆「構造」の場合でも１０００分の数インチの厚さしかないので、電気短絡が形成される可能性は依然として大きい。この構造上の制限は、頻繁な電気短絡を招く多くの通常の状況下では、絶縁の完全性を不十分なものにする。例えば、絶縁膜は、絶縁物の厚さに影響する製造上の欠陥、ＧＣ計器構成要素の取扱い中に絶縁物に生ずる応力、絶縁物の折曲げ、寿命や周期的な加熱の繰返しに起因する被覆物のぜい性などがすべて、絶縁層の破損およびその結果生じる金属ＧＣカラムの他の金属構成要素との動作中の短絡を助長するほど、薄いものである。したがって、市販のワイヤ絶縁物は各種のＧＣアセンブリとその適用例の動作要件を満たさないことがわかっている。鋼製の毛管ＧＣカラムは石英製またはシリカ製のＧＣカラムと比較してはるかに大きな熱量を有するので、前述のようにアセンブリ中に含まれる様々な加熱エレメントのためにより高い表面温度を発生する温度プログラミングを実施するのにより多くの電力が必要なことが、これらの問題をさらに激化している。
【００１１】
実際に、ポリイミド被覆加熱ワイヤの破損は論証可能である。このような破損は、ポリイミド被覆物が３００℃で１０００時間耐久の定格を有する厚い被覆である「カッド」構造として指定されたときでも発生する。この被覆は、上述のように３００℃のＧＣ温度プログラム要件全体を満たすためにワイヤ表面で必要な高い局部温度が原因で、急速に劣化する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術によるシステムの多くの欠点を考慮して、本発明の目的は、電気絶縁されたガス・クロマトグラフ構成部材を製造するための装置および方法、ならびに高温で動作する小型低熱量ガス・クロマトグラフ計器で使用するのに適したこのような構成部材のアセンブリを提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、ガス・クロマトグラフの動作に必要な小さな加熱器と加熱される構成要素が、コンパクトな密に結合された配置中に設けられ、それによってこれらの小型ガス・クロマトグラフ計器への統合が容易になっている、電気絶縁ガス・クロマトグラフアセンブリを製造することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、電気絶縁層が高温動作においてその電気絶縁の完全性を維持し、しかも同時に、アセンブリ中に存在する様々な統合されて密に結合されたガス・クロマトグラフ構成部材の間に十分な熱伝導を提供するように、電気絶縁層を様々なガス・クロマトグラフ構成部材の表面に付着させることである。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、小型ガス・クロマトグラフ・アセンブリまたは計器における鋼製毛管ガス・クロマトグラフ・カラムなど、金属構成部材の使用を実用化することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電気絶縁層をガス・クロマトグラフ（ＧＣ）構成部材の表面に付着させるための方法が提供される。この方法は、所定の方向に延びる少なくとも１つの細長いＧＣ構成部材を提供すること、およびこれらの部材から複数のファイバを分配するための少なくとも１つの分配機構を提供することを含む。細長いＧＣ構成部材が所定の方向に沿って漸進的に進むにつれ、分配機構は、漸進的に進むＧＣ構成部材の周りで回転移動する。この回転移動に応答して、分配機構はそれから複数のファイバを分配し、ファイバはＧＣ構成部材の外表面の周りに漸進的に巻き付けられる。
【００１７】
本発明によって製造されるガス・クロマトグラフ（ＧＣ）カラム・アセンブリは、第１ＧＣ構成部材を含み、この第１ＧＣ構成部材は、その外部表面の周りに巻き付けられた第１セラミック粗糸絶縁層を有する。第２ＧＣ構成部材が第１ＧＣ構成部材から隣接して変位し、第１ＧＣ構成部材は毛管ＧＣ分析カラム部材であり、第２ＧＣ構成部材は加熱ワイヤである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明では、毛管ガス・クロマトグラフ（ＧＣ）分析カラム、加熱ワイヤ、抵抗温度装置（ＲＴＤ）ワイヤなどの様々なＧＣアセンブリ構成部材、ならびにこれらの組合せおよび部分組合せの表面に、電気絶縁層が付着される。その目的は、これらの様々なＧＣ構成要素または部材を、様々なＧＣ構成部材を電気絶縁するための周知の従来の技術によって可能であるよりも電気短絡に対して高い耐性を有する、より高い動作温度を達成できる小型低熱量ＧＣアセンブリに密に統合できるようにすることである。本発明を適用すると、ＧＣ動作に必要な小さな加熱器と加熱される構成要素がうまく統合されているので、ＧＣアセンブリや特に低電力のＧＣアセンブリの性能を大幅に拡張し改善する。さらに本発明は、小型ＧＣアセンブリ中に、鋼製毛管ガス・クロマトグラフ・カラムなどの金属構成部材を含めることを実用化する。
【００１９】
本発明の絶縁層が、まず高い温度サイクルにおいても様々な統合されたＧＣ構成要素の間の電気短絡を防止し、次いでＧＣアセンブリにおける加熱エレメントと加熱される他のエレメントまたは構成要素との間の熱伝導を最大にするという対照的な２つの目的にかなうことは有利である。従来の技術では高温電気絶縁が絶縁された構成要素またはワイヤとその他の構成要素との間の熱伝導を最小にする傾向があるので、これら２つの目的は全く異なるものである。それにもかかわらず、本発明は２つの相反する目的の間でうまくバランスをとる。
【００２０】
本発明は、非常に高い動作温度で電気短絡を防止するという目的を、高温で安定した材料を含む絶縁層の利用によって絶縁されたエレメントの間の熱伝導を最大にするという目的と調和させ、同時に絶縁物の厚さと質量の要件を最小にして十分な熱伝導を可能にする。従って、本発明は、非常に高い温度条件、例えば１０００℃超で安定した電気絶縁の質を維持するセラミック・ファイバで形成された絶縁層を使用する。ガラスまたはセラミックベースの織構造または編構造の絶縁物は、このようなちゅう密な材料からなる絶縁層によって熱伝導が実質的に阻害されるので、小型ＧＣアセンブリにおいて有用であるには一般的に非常に厚過ぎ、他方では、前述の２つの目的を満足する電気絶縁層をうまく製作するために本発明によって使用できるいくつかの高温セラミック糸の前駆物質が入手可能である。
【００２１】
具体的には、本発明では、ＧＣアセンブリ構成部材のための電気絶縁層はセラミック組成物によって形成され、セラミック組成物は、ＧＣ構成部材の外表面の周りに巻かれた、またはらせん状に巻き付けられたセラミック粗糸またはセラミック糸を含む。本発明の状況では、用語「粗糸（roving）」は、ゆるく集合した、すなわち複数のほぼ連続した同延（平行）のねじられていない撚りのないファイバを指す。例えば、１つのこのような粗糸は、３Ｍ社から「ＮＥＸＴＥＬセラミック・ファイバ」の商品名称で市販されている。粗糸は一例として、各々が約８〜１２ミクロンの断面寸法を有する約２００本のねじられていないセラミック・フィラメントを含む。セラミック粗糸がＧＣ構成部材の周りに巻かれ、またはらせん状に巻き付けられると、その中の個別のファイバは巻き付けられた構成部材の表面を横切って広がり、こうして、１）最小化された厚さと熱量と２）非常に高い温度における組成の完全性を特徴とする電気絶縁層を提供し、こうして上述のように、高温における満足な熱伝導とすぐれた電気絶縁効果という２つの目的を達成する。
【００２２】
図１を参照すると、セラミック粗糸絶縁層をＧＣ構成部材の外表面に付着させるための装置が、本発明によって提供される。次節でさらに詳しく論ずるように、ＧＣ計器において使用するための例示のＧＣ構成部材は、毛管ＧＣカラム、加熱ワイヤ、ＲＴＤワイヤ、プレコンセントレータ、転送管路、またはこれらの組合せおよび半組合せを含むが、これらに限定されるものではない。
【００２３】
この装置は、台板１０に回転可能に結合された回転可能な平板または回転可能な支持部材５を含む。支持部材５と台板１０は両方とも、それを通じて中央に配置された開口１５を形成している。変速電動機２０がプーリー２５と駆動ベルト３０によって回転板５に結合され、これによって変速電動機２０は、開口１５を通過する回転軸線の周りに回転板５を回転可能に転置させる。一連の変速機構、クラッチ、および／またはプーリーを通じて回転板５に結合された変速電動機を含む、平板５を回転可能に転置させるための他の適当な機構も使用することができる。さらに、中空軸が変速電動機を通じて形成され、この中空軸が開口１５と一致する変速電動機を、回転板を直接駆動するために使用することができる。
【００２４】
１対のファイバ分配リール３５、３６が回転板５の上部表面に取り付けられており、各リールはその上にセラミック・ファイバ粗糸を保持し、ＧＣ構成部材４０の表面にファイバを付着させるためにリールからファイバを分配する。ファイバ分配機構をリールに限定する必要はなく、ここに記載の動作／機能要件を満たす限り他の周知の分配機構を使用することもできる。
【００２５】
図示するようなリール３５、３６は、それぞれのスピンドル機構４５、４６によって回転板５の上部表面にそれ自体取り付けられ、さらに特定すれば回転可能に結合されており、ファイバがリールから分配されるときには、リールがこれらのスピンドルの周りに回転する。開口１５の相反する側で回転板５に取り付けられた１対のリール３５、３６が示されているが、ＧＣ構成部材４０の表面への絶縁層の有効な付着には、ただ１つのファイバ分配リールのみが必要である。ＧＣ構成部材４０の表面へ付着されるべき絶縁層の所望の被覆密度を達成するために、どんな所定の位置的配置が必要であっても、１つ、２つ、またはそれ以上のファイバ分配リールを回転板５に取り付けることができることを、理解すべきである。
【００２６】
図１に示すように、セラミック粗糸すなわちファイバの分配端部５０、５５は、それぞれファイバ分配リール３５、３６から延び、ＧＣ構成部材４０の細長いセグメント６０の外表面にからみ、この外表面にセラミック粗糸電気絶縁層が付着される。セラミック粗糸の各分配端部５０、５５は、ＧＣ構成部材４０の外表面の周りに少なくとも部分的に巻き付けられた端部分を有する。
【００２７】
ＧＣ構成要素４０は、電動式巻取りリール７５の周りに巻かれる下部分６５を含み、この電動式巻取りリールは制御可能な変速電動機８０によって回転駆動される。ＧＣ構成部材４０の上部分７０は供給リール８５の周りに巻き付けられ、この供給リール８５はスピンドル９０に摩擦で結合されており、こうしてスピンドル９０の周りに自由輪転式（非駆動式）に回転する。こうして、ＧＣ構成部材４０は、これらのリールの上に格納されるときに損傷されないように十分に可撓性であることだけが必要である。ＧＣ構成部材４０の下部分６５と上部分７０との間に、ＧＣ構成部材４０の細長いセグメント６０が延びている。
【００２８】
巻取りリール７５、変速電動機８０、供給リール８５、およびスピンドル９０は、多数の他の同じ効果の実施形態を単に代表するもので、これらの変形は、意図される目的と対象をこれらの変形が達成できることを除いては、本発明の概念にとって重大ではないことを理解すべきである。一例として、変速電動機８０をギヤ、クラッチおよび／または駆動ベルト、およびチェーンを通じて巻取りリール７５に結合することもできる。さらに、従来の技術において周知のいずれの他の回転式結合機構も、それが供給リール８５の摩擦回転式結合を可能にする限り、スピンドル９０に取って代ることもできる。さらにまた、巻取りリール７５の巻付けドラム９５は、この適用に適した様々な外形を想定することができる。複数のＧＣ構成部材を図示の装置を使用して同時に共に巻き付けようとする場合には、追加セットの巻取りリール、供給リール、およびこれらの関連ＧＣ構成部材を、既に図１に示したセットと並べて含めることもできる。
【００２９】
図１と図２を参照すると、ＧＣ構成部材４０の外表面の周りにセラミック粗糸を巻くまたはらせん状に巻き付ける方法は、供給リール８５の周りに初めに格納されたＧＣ構成部材４０の自由端が中央に配置された開口１５を通じて供給され、６５におけるように、下部巻取りリール７５の周りに少なくとも部分的に巻き付けられる、初期段取りを含む。次いで、セラミック粗糸の分配された端部５０、５５の端部分が、上リールと下リールとの間に延びるＧＣ構成部材４０の細長いセグメント６０の外表面の周りに、少なくとも部分的にらせん状に巻き付けられまたは巻かれる。
【００３０】
漸進的な巻き作業が巻取りリール７５によって開始され、巻取りリール７５は矢印１００で示す方向に変速原動機８０によって回転駆動され、これによってＧＣ構成部材４０の細長いセグメント６０は、矢印１０５で示す方向に沿って供給リール８５から巻取りリール７５に向かって（その上に）漸進的に前進することになる。スピンドル９０の周りに供給リール８５が摩擦を伴って偏向回転式に転置することによって、ＧＣ構成要素４０の細長いセグメント６０が上リールと下リールとの間の小さな引張り荷重の下に保たれ、こうして、ＧＣ構成要素４０が供給リール８５から解かれて巻取りリール７５の上に巻かれるときに、その細長い形を維持する。
【００３１】
中央に配置された開口１５を通じてＧＣ構成部材４０が下向きに漸進的に進むと同時に、変速原動機２０が、回転可能な支持部材５を、開口１５を通過する回転軸線の周りに矢印１１０で示す方向に回転式に転置させる。回転可能な支持部材５はＧＣ構成部材４０の細長いセグメント６０の周りに回転して転置するので、両方のファイバ分配リール３５、３６もまた、この回転軸線の周りに回転して転置する。リール３５、３６もまたこれらのそれぞれの取付けスピンドル４５、４６の周りに回転することがわかる。セラミック粗糸の分配端部５０、５５の端部分が、ＧＣ構成部材４０の細長いセグメント６０の外表面の周りに、少なくとも部分的に巻かれるかまたはらせん状に巻き付けられるので、両方のファイバ分配リール３５、３６は、これらのＧＣ構成部材の周りの回転移動に応じて、セラミック粗糸を細長いセグメント６０の外表面にさらに連続的に分配する。別の方法で言えば、回転可能な支持部材５が回転移動され、この分配作用に応じてファイバ分配リール３５、３６がこれらのそれぞれのスピンドル４５、４６の周りに回るにつれて、セラミック粗糸は各リールから引き出される。この方法で、ＧＣ構成部材４０が供給リール８５から巻取りリール７５の上に漸進的に進むにつれて、ＧＣ構成部材４０の外表面はセラミック・ファイバすなわち粗糸の層によって漸進的にらせん状に巻き付けられる。
【００３２】
図２を参照すると、細長いセグメント６０の巻き付けられた部分の拡大図により、分配リール３５、３６が回転可能な平板５と共に回転するにつれて、分配される端部５０、５５はＧＣ構成部材４０の細長いセグメント６０の外表面と、これらの反対側で接線状に掛かることがわかる。セラミック粗糸が各リールから引き出されるにつれて、これはＧＣ構成部材４０の外表面の周りにらせん状に巻き付けられる。この結果、ＧＣ構成部材４０の外表面は、複数回のセラミック粗糸らせん状巻付けからなる電気絶縁層１２０によって覆われることになる。図２においてピッチ角１３０、すなわち絶縁ファイバが構成部材４０の外表面周りにらせん状に巻き付けられる角度は、細長いセグメント６０の長さと細長いセグメント６０の外表面に接線状にかかるファイバの分配端部５０（または５５）との間を定める角度として、定義されることに留意されたい。
【００３３】
絶縁ワイヤをＧＣ構成部材の外表面に付着させる場合に装置の有効性を最大にするため、およびＧＣ構成部材の表面を覆うセラミック粗糸の被覆密度を最適化するために、図１の装置およびこれを使用する方法は、動作全体にわたって行われるべき一定の調節の余裕をみておく。構成部材巻付け作業中に制御される１つのパラメータは、分配される端部５０、５５がＧＣ構成部材４０の外表面に付着するか、または外表面の周りに巻かれる場合の張力である。このパラメータを説明するために、装置は、セラミック粗糸がＧＣ構成部材の周りに巻き付けられるときにセラミック粗糸の中に所定の引張りを確立することのできる機構を提供する。先に論じたように、ファイバ分配リール３５、３６は、ファイバがリールからＧＣ構成部材の上に分配されるときに、それぞれのスピンドル４５、４６の周りに回転する。こうして、スピンドル４５、４６とこれらのそれぞれのリール３５、３６との間に存在する摩擦のレベルを調節することによって、すなわちスピンドルとこれらのリールとの間の制動力を調節することによって、構成部材が粗糸によって巻き付けられるときの所定の引張り力を確立または制御することができる。
【００３４】
代替案として、回転平板５の上表面とその上にあるリール３５、３６の底部分との間の境界面に存在する摩擦の大きさに相応の調節を加えることによって、巻付け引張りを調節することができる。例えば、リール３５、３６の重量を単に増加させることによって、摩擦のレベルは増加し、こうして引張り力はより高い所定のレベルに確立され、この引張り力の下でセラミック粗糸はＧＣ構成部材の表面に付着される。従来の技術において周知の他の機構を、回転リール３５、３６の回転に対して行使される摩擦力を制御するために使用して、セラミック粗糸絶縁層における所定の引張りレベルを確立することができる。要約すれば、絶縁層の被覆密度、特にＧＣ構成部材の外表面の周りに巻かれるセラミック・ファイバの密度を調節するための１つの方法は、セラミック・ファイバがＧＣ構成部材に巻き付けられるときの相応の所定の引張りレベルを確立することである。
【００３５】
絶縁層の被覆密度の制御において重要な別の１つの動作パラメータは、回転可能な支持部材５が回転移動する角速度と、巻付け作業中にＧＣ構成部材４０が矢印１０５の方向に漸進的に進む線速度との、両方の制御を含む。特に、回転可能な支持部材５の角速度を確立する原動機２０と、巻取りリール７５の角速度を、したがって矢印１０５の方向に沿って細長いセグメント６０の線速度を決定する原動機８０との間の、所定の角速度比を確立することによって、絶縁層の被覆密度を相応に調節または制御することができる。上述の速度を変えることにより、これに応じて、ファイバが構成部材の外表面の周りにらせん状に巻き付けられる図２に示すようなピッチ角１３０が変えられる。したがって、ピッチ角１３０を小さくするように速度を調節すると、ファイバの被覆密度は低下する。代りに、ピッチ角を増加させる速度比は被覆密度を高める。
【００３６】
被覆密度は、前述の速度比と巻き付けられる部材の直径との関数として変化することを、さらに理解すべきである。したがって、細長い部材の直径は、所定の被覆密度を確立するために速度比を制御するときに考慮すべき要素である。
【００３７】
要約すれば、ＧＣ構成部材の外表面に付着されたときの絶縁層の被覆密度を、本発明の装置と方法によって制御することができる。特に、構成部材を漸進的に巻き付けるときに、粗糸の引張り、ＧＣ構成部材の移動速度、および分配リールの角速度を調節することによって、絶縁層の被覆密度は相応に調節される。さらに、絶縁層の被覆密度を、２枚以上のファイバ層をＧＣ構成部材に付着することによって増加させることもできる。例えば、構成部材を１回、２回、または３回、または適用分野における必要に応じてさらに多くの回数だけ巻き付けることができる。
【００３８】
ファイバの良質な巻付けを確証するためには、さらなる注意を払わなければならない。巻付けが過度に高い引張りの下で発生する場合には、ファイバが細長い部材の外表面の周りに曲げられるときに、ファイバの望ましくない分裂と摩損が発生する可能性がある。一般的には、巻き付けられる細長い部材の直径が小さいほど、ファイバが引張りの下で部材の周りに巻き付けられるときに、ファイバの分裂と摩損は多くなる。こうして、細長い部材の直径と釣り合った所定のレベルに引張りを設定する能力が、絶縁層のための高品質の巻付けを達成する場合、ならびに絶縁層のために所望の被覆密度を確立する場合に重要となる。実際に、巻付けの速度比と結果的に生ずるピッチ角および巻付けの引張りは、それぞれ、巻き付けられる構成要素の直径の関数である。
【００３９】
図１には、中央に配置された開口１５を通って形成されている単一の回転可能な支持部材５が図示されているが、準備されたファイバ分配機構すなわちリールが、リールに対して半径方向の内側に転置されて所定の方向に沿って漸進的に進められる細長いＧＣ構成部材の外表面の周りに、回転式に転置される限りは、他の機能的に等価の実施形態も、同様に巻付け作業を実施するために十分なものとなり得ることを理解すべきである。この所定の方向は、分配リールの回転平面に直角である必要はなく、細長いセグメント６０の位置は、リールが回転式に転置される場合の回転軸線と一致する必要はない。さらに、図１に示すような単一の回転可能支持部材５を準備する必要はない。各々がその上表面にファイバ分配機構を支持している１対の回転可能支持部材を、互いに離間した関係で備えることもできる。
【００４０】
上述の装置と方法を、広範囲の電気絶縁低電力ＧＣアセンブリの製造に使用することができる。次の一連の実施形態はこの広範囲の可能性の例示であり、前述の装置と方法を使用して生産すなわち製造できる多くのさらなる実施形態を、決して限定するものではない。一般的には、下記の実施形態は本発明の技法によって実際に製造され、動作試験が行われている。したがって、製造されたアセンブリに含まれる様々なＧＣ構成部材および粗糸の特定の長さ、直径、および組成が確立されており、様々なＧＣ構成部材に提供される。
【００４１】
このような特性は単に例示的なもので、決して本発明の適用分野を限定する意図はなく、むしろ本発明は、機能的に等価であって、説明しようとする実施形態の中に提供されるものに同様に配置または統合される構成部材を中に含むすべてのＧＣアセンブリに、同様に適用可能である。
【００４２】
さらに、下記の実施形態の各々において、特定の絶縁層には、Ｎｅｘｔｅｌ６００デニール（Ｄ）粗糸などのＮｅｘｔｅｌセラミック粗糸が含まれる。しかしながら、多種多様なセラミック・ファイバ粗糸も、これがＧＣ構成部材の表面への品質のよい絶縁層の付着を可能にし、動作温度要件を満たし、そして統合されたＧＣ構成部材間の許容熱伝導を可能にする限りは、ＧＣ構成部材を絶縁するために使用することができる。
【００４３】
図３を参照すると、低電力ＧＣアセンブリの第１実施形態は、例えば融解石英で作られた非金属毛管ＧＣカラムであって、例えば０．２５ｍｍの内径（ＩＤ）を有する第１ＧＣ構成部材１４０を含む。例えば白金で作られ、直径が例えば０．００２”であるＲＴＤワイヤ１４２は、ＧＣカラム１４０と接触している。例えばＮｅｘｔｅｌ６００Ｄセラミック粗糸からなる第１セラミック粗糸絶縁層１４４を、ＧＣカラム１４０とＲＴＤワイヤ１４２との外表面に付着させる。
【００４４】
本発明の装置を使用して、絶縁層をＧＣカラム１４０とＲＴＤワイヤ１４２とに付着させ、絶縁層は、カラム１４０の表面へ付着するものとして、インチ当りほぼ１巻回のわずかならせん形のセラミック粗糸を含む。またＧＣアセンブリの中には、第２ＧＣ構成部材、すなわち例えばニッケルで作られ、長さが例えば５’で、直径が例えば０．００８”である加熱ワイヤ１４８が含まれる。セラミック粗糸の第２電気絶縁層１４６を加熱ワイヤ１４８の外表面に付着させる。
【００４５】
図３のアセンブリは、図１の巻き装置を使用して製造された。アセンブリをコイル状にして、それから小型の低電力ＧＣアセンブリの中で使用した。コイル状にしたＧＣアセンブリを、様々な速度において室温から４００℃までにわたる温度範囲にわたって温度プログラミングした。セラミック粗糸電気絶縁は最高の温度においても試験全体を通じてその完全性を維持したが、ニッケル加熱ワイヤ１４８の上に設けられたポリイミド絶縁物が温度プログラム・サイクル中に燃えつきたが影響がなかったことに言及するのは興味がある。すなわち、ＧＣアセンブリの動作中における標準ポリイミド絶縁物の動作破壊は、試験全体を通じて完全性を維持したセラミック・ファイバ電気絶縁層があるために全くとるに足らないものであった。
【００４６】
図４を参照すると、ＧＣアセンブリの第２実施形態では、鋼などの金属構成物で形成された毛管カラム１５２は、例えば０．２８ｍｍの内径と例えば１５ｍの長さを有する。ＧＣカラム１５２に、例えばＮｅｘｔｅｌ６００Ｄセラミック粗糸を使用する、図１に示す本発明の方法と装置によるセラミック・ファイバ絶縁層１５６を巻き付ける。長さが１５ｍ、直径が０．００８”のニッケル加熱ワイヤ１６０に、電気絶縁セラミック・ファイバ層１５８を同様に巻き付ける。製造中に、ＲＴＤワイヤ１５４を絶縁層１５６の外表面に連続して配置し、本発明の巻付け用の装置と方法を使用して、絶縁ＧＣアセンブリ１５２を含む複合アセンブリ、加熱ワイヤ１６０、およびＲＴＤワイヤ１５４を、これらに、例えばインチ当り１巻回のらせん巻付け率を有するらせん状巻付けセラミック・ファイバ絶縁層１６２を付着させることによって、互いに接合させる。次いで、アセンブリ全体を直径３．５”のコイル状にして、アルミニウム箔を巻き付ける。
【００４７】
図４に示す構成部材を含むこうして得られたアセンブリを動作試験し、さらにこれらの試験進行中に多数回操作した。この試験期間を通じて、電気短絡はなく、他の困難性は全く観察されなかった。アセンブリの温度プログラミング中に、１８０℃と３００℃の温度で消費電力を測定した。毛管カラム１５２の鋼製毛管が比較的大きな質量を有するので、このアセンブリの温度プログラミングのためには大きな電力を必要とした。例えば一分間当り６０℃での、４０℃から１８０℃までの温度上昇には約２７ワットの電力を必要とした。これに対して、同じ温度上昇速度に応ずる融解石英カラム・アセンブリの必要電力は約１０ワットである。この大きな必要電力は加熱ワイヤ１６０の表面における非常に高い局部温度の存在を示すものであるが、カラムと加熱ワイヤに沿ってアセンブリ全体にわたるセラミック・ファイバ絶縁物の薄い均一に広がった層が、アセンブリにおける他の構成部分を保護し、また毛管ＧＣカラムにおける局部温度の均等性を有利に高めるために役立つことを理解すべきである。
【００４８】
図５の時間と温度の関係グラフには、図４のＧＣアセンブリの温度プログラミング実行中のＲＴＤ温度センサ１７４の温度記録の１例が図示されている。特に、電気短絡を発生させることなく、４００℃まで繰り返しＧＣアセンブリの温度プログラミングを実施した。ＧＣアセンブリを動作させる最高温度よりはるかに高い１２００℃の温度定格を有するセラミック・ファイバ絶縁層は、試験全体にわたってその完全性を維持した。
【００４９】
図６には小型ＧＣアセンブリの第３実施形態が示され、この場合、長さ３ｍ、内径０．２８ｍｍの鋼製毛管カラム１６４にセラミック粗糸絶縁層１６６を巻き付ける。長さ３ｍ、直径０．００６”のニッケル加熱ワイヤ１６８にセラミック粗糸絶縁層１７０を同様に巻き付ける。巻き付けられたＧＣカラム１６４と巻き付けられた加熱ワイヤ１６８を共に、ゆるく巻き付けられたセラミック粗糸絶縁層１７２によって接合する。この接合層を、本発明の巻き装置によって内部部材を共に巻き付けることによって内部部材に付着する。長さ３ｍの白金ＲＴＤワイヤ１７４を、わずかならせんピッチによって、内部アセンブリ（ＧＣカラム、加熱ワイヤ、および周囲の絶縁層）の周りにらせん状に巻き付ける。こうして得られるアセンブリを、長さ３ｍの１３ゲージ薄壁テフロン管１７６の内孔の中に置く。このＧＣアセンブリを本発明の技法を使用して製造し、それから６０℃／秒の速度で１８０℃まで温度プログラミングした。図７に、温度プログラミング実行中のＲＴＤ温度センサ１７４の記録例を図示する。絶縁層がその完全性を維持したので、電気短絡の発生はなかった。
【００５０】
図６に示す形態の率直な変形では、テフロン管１７６を抵抗加熱金属外管に代えることができる。この形態では、加熱される外管自体が、その中に配置された鋼製毛管カラムを加熱し、こうして加熱ワイヤ１６８の必要性はなくなる。さらに外管の内部に配置された内部アセンブリの周りにセラミック粗糸絶縁層を巻き付けて、内部アセンブリ構成部分と抵抗加熱された外管の内表面との間の電気短絡の形成を防止する。
【００５１】
本発明の技法と材料を使用する毛管ＧＣ分析カラムの製造の他に、先に論じたアセンブリに関して説明した付随の利点のすべてを伴った別の小型ＧＣアセンブリも製造することができる。例えば、別の小さなＧＣ構成部分である小型蒸気プレコンセントレータが本発明から得られる。小型蒸気プレコンセントレータは、中に吸着剤を含む小さな管を含む。この管を急速に加熱して吸着された蒸気を放出させ、その後にクロマトグラフによって分析する。小型ＧＣ計器における蒸気サンプリングのために、標準ステンレス鋼ガス管路またはガラス管を使用するＧＣカラムと調和する小さな吸着剤プレコンセントレータを製造することができる。ある従来の技術によるアプローチは、上述の吸着剤を詰めた小さな鋼管の周りの加熱ワイヤと感知ワイヤ巻線とを絶縁し接合するための、想定される「高温」エポキシ接着剤層の使用に関するものである。この従来の技術によるアプローチは、構成部分を共に接合するために使用される接着剤が場合によっては分解するか、または砕けて、元来は接着剤によって共に接合されていた様々な構成部分の間の望ましくない電気絶縁の発生を助長することで問題がある。この問題は、ポリイミド被覆などのワイヤ上の絶縁物もアセンブリの高温における長い使用の間に一般的に破壊するか燃えつきることで激化される。
【００５２】
本発明は、これらの従来の技術の欠点に対する解決策を提供するもので、吸着剤プレコンセントレータ・アセンブリの中に存在する加熱ワイヤとＲＴＤワイヤを電気的に絶縁するためにセラミック・ファイバ絶縁層を使用する。例えば図８において、ＧＣアセンブリの第４実施形態では、図示されたプレコンセントレータは、中に吸着材料１８２を含む直径０．１２”のガラス管１８０を含む。約１０”の直径０．０１”のニクロム加熱ワイヤ１８４を、ガラス管１８０の長さ１．５”程度の短いセグメントの周りに巻き付ける。次に、セラミック粗糸電気絶縁層１８６を加熱ワイヤ１８４の周りに巻き付けて、加熱ワイヤ１８４が実質的に絶縁層によって覆われるようにする。長さ３’、直径０．００２”のポリイミド絶縁白金ＲＴＤワイヤ１８８をアセンブリ全体に巻き付けて、絶縁層１８６の外表面と接触させる。
【００５３】
本発明の技法によって製造された図８のプレコンセントレータ・アセンブリを、小さなＧＣアセンブリ注入システムの中に取り付け、動作試験中にその急速加熱と続くＧＣ分析のための蒸気のガス流への脱着とを実証した。プレコンセントレータ・アセンブリの日常的な使用中と試験中に、センサ・ワイヤまたは加熱ワイヤの間のいずれにも電気短絡は発生せず、アセンブリの中で使用された材料すなわちセラミック・ファイバ絶縁物において機械的故障は観察または発見されなかった。実証が成功したプレコンセントレータ・アセンブリの別の１つの実施形態では、ガラス管１８０を、セラミック絶縁ワイヤが周りに巻き付けられた金属管に代える。セラミック絶縁ワイヤが周りに巻き付けられたニクロム加熱ワイヤを、絶縁された金属管の周りに巻く。ＲＴＤワイヤを、絶縁された加熱ワイヤと絶縁された金属管との間に、または加熱ワイヤの外側の周りに巻線として設けることができる。
【００５４】
本発明はさらに、ＧＣアセンブリにおいて使用する移送管路を目的とするのは有利である。様々なＧＣアセンブリにおける移送管路は主として、ＧＣ分析カラムを出入りする化学蒸気を運ぶための毛管ＧＣ分析カラムの入口端および／または出口端に結合された導管をそれぞれ含む。移送管路がＧＣ分析カラムにその注入端で結合されていても、またはガスが次の検出器に移送されるその出口端で結合されていても、一般的にヘリウムなどのキャリヤ・ガス中の分析サンプルを搬送する移送管路を、移送管路の内壁における、またはその他の管と結合具などのＧＣアセンブリの取付け／結合構成部分の内部における化学蒸気の凝集損を防止するために、加熱しなければならない。本発明がそれ自体、小型ＧＣアセンブリの中に設けられるこのような移送管路であって、連続的または断続的に加熱することができる移送管路を目的とすることは有利である。
【００５５】
図１０において、ＧＣアセンブリの第５実施形態では、このような移送管路が設けられ、これは毛管ＧＣ分析カラムの中に蒸気を注入するために「フラッシュ加熱」インジェクタ管路として動作する。「フラッシュ加熱」インジェクタ管路は、図８に示すプレコンセントレータとトロイド状に形成された低電力ＧＣカラムとの間の接続部を加熱するために使用される。この移送管路の中で使用される本発明の技法が、ＧＣトロイド形状物の望ましくない追加加熱と小型ＧＣアセンブリの環境では望ましくない過剰電力の要件を含む、従来の技術において周知の不利な副作用を回避することは有利である。動作中は電力を節約するために、移送管路を断続的に急速加熱、すなわちＧＣアセンブリ動作の蒸気注入段階中にのみ加熱する。
【００５６】
図示するように、移送管路は、長さが約３．５”、内径が約０．２８ｍｍの内部鋼製毛管ＧＣカラム１９０を含む。セラミック・ファイバ絶縁層１９２をカラム１９０の周りに巻き付ける。直径が約１０”のニクロム加熱ワイヤ１９４を絶縁されたカラム１９０の周りに巻き付けるかまたは巻く。代替案として、加熱ワイヤ自体に、カラム１９０の周りに巻き付ける前に、絶縁層を巻き付けることができる。この代替形式では、加熱ワイヤが絶縁されるので、カラム１９０は、周りに巻き付けられた絶縁層を備えても、また備えなくてもよい。第２セラミック・ファイバ絶縁層１９６を加熱ワイヤ巻線１９４の周りに巻き付ける。次に、ＲＴＤワイヤ巻線１９８を絶縁層１９６の周りすなわち上に巻き付ける。最後に、セラミック・ファイバ絶縁層２００の外表面をアルミニウム箔で覆い、アルミニウム箔は、アセンブリ全体にわたって熱の均等性を強化する効果を有する。
【００５７】
動作中は、図１０のアセンブリを、フラッシュ加熱注入段階中に１３ワットの平均消費電力で大気温度から２７０℃まで２０秒間で加熱した。様々なクロマトグラフィ測定のために移送管路をさらに広く使用したが、装置の電気絶縁層に故障の徴候は全くなかった。図９のグラフに、電力測定値とＲＴＤセンサのトレースを示して、移送管路の動作を図示する。
【００５８】
本発明をその特定の形状と実施形態に関連して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、上に述べたもの以外の様々な変形を行うことができることは理解されよう。例えば、特定して図示し説明したものの代りに、等価の要素を用いることもでき、一定の特徴を他の特徴とは独立して使用することもでき、場合によっては、添付の特許請求の範囲の定義されたような本発明の精神と範囲を逸脱することなく、要素の特定の位置を反転または挿入することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法による電気絶縁されたガス・クロマトグラフ構成要素部材を製造するのに使用される本発明の巻付け装置を示す斜視図である。
【図２】図１に示すガス・クロマトグラフ構成要素部材の巻き付けられた部分を示す拡大斜視図である。
【図３】図１に示す装置を使用して製造されたガス・クロマトグラフ・アセンブリの第１実施形態の正面断面図である。
【図４】図１に示す装置を使用して製造されたガス・クロマトグラフ・アセンブリの第２実施形態の正面断面図である。
【図５】図４のガス・クロマトグラフ・アセンブリの時間と温度との関係を示すグラフである。
【図６】図１に示す装置を使用して製造されたガス・クロマトグラフ・アセンブリの第３実施形態の正面断面図である。
【図７】図６に示す装置の温度プログラミング・サイクルを示す時間と温度のグラフである。
【図８】図１に示す装置を使用して製造されたガス・クロマトグラフ・アセンブリの第４実施形態の断面図である。
【図９】図１に示す装置の消費電力を示す時間・電力グラフである。
【図１０】図１に示す装置を使用して製造されたガス・クロマトグラフ・アセンブリの第５実施形態の断面図である。
【符号の説明】
５  支持部材
１０  台板
１５  開口
２０  変速電動機
２５  プーリー
３０  駆動ベルト
３５  ファイバ分配リール
３６  ファイバ分配リール
４０  ＧＣ構成部材
４５  スピンドル機構
４６  スピンドル機構
５０  ファイバの分配端部
５５  ファイバの分配端部
６０  細長いセグメント
６５  巻取りリール７５の周りに巻かれる下部分
７０  ＧＣ構成部材４０の上部分
７５  電動式巻取りリール
８０  変速電動機
８５  供給リール
９０  スピンドル
９５  巻付けドラム
１００  矢印
１０５  矢印
１１０  矢印
１２０  電気絶縁層
１３０  ピッチ角
１４０  第１ＧＣ構成部材
１４２  ＲＴＤワイヤ
１４４  第１セラミック粗糸絶縁層
１４６  第２電気絶縁層
１４８  加熱ワイヤ
１５２  毛管カラム
１５４  ＲＴＤワイヤ
１５６  セラミック・ファイバ絶縁層
１５８  電気絶縁セラミック・ファイバ層
１６０  加熱ワイヤ
１６２  セラミック・ファイバ絶縁層
１６４  鋼製毛管カラム
１６６  セラミック粗糸絶縁層
１６８  ニッケル加熱ワイヤ
１７０  セラミック粗糸絶縁層
１７２  セラミック粗糸絶縁層
１７４  ＲＴＤ温度センサ
１７６  １３ゲージ薄壁テフロン管
１８０  ガラス管
１８２  吸着材料
１８４  ニクロム加熱ワイヤ
１８６  セラミック粗糸電気絶縁層
１８８  ポリイミド絶縁白金ＲＴＤワイヤ
１９０  内部鋼製毛管ＧＣカラム
１９２  セラミック・ファイバ絶縁層
１９４  加熱ワイヤ巻線
１９６  第２セラミック・ファイバ絶縁層
１９８  ＲＴＤワイヤ巻線
２００  セラミック・ファイバ絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004541461.tif 000008
【図８】
0004541461.tif 000009
【図９】
0004541461.tif 000010
【図１０】
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